KR20220153196A - 점화 코일 제어 시스템 - Google Patents

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심기선
정동원
김원규
송진오
우수형
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현대자동차주식회사
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Abstract

점화 코일 제어 시스템이 개시된다.
본 발명의 실시 예에 따른 점화 코일 제어 시스템은 제1 점화 코일; 제2 점화 코일; 상기 제1 점화 코일 및 상기 제2 점화 코일에서 발생한 방전 전류에 의해 불꽃 방전을 발생시키는 한 쌍의 전극을 포함하는 스파크 플러그; 배터리로부터 상기 제1 점화 코일의 1차측 코일과 상기 제2 점화 코일의 1차측 코일로 공급되는 직류 전류의 크기를 변환하는 직류 변환기; 펄스 신호를 기초로 상기 제1 점화 코일 및 상기 제2 점화 코일의 방전 전류의 크기와 듀레이션을 조절하여 상기 전극의 불꽃 방전을 제어하는 제어기를 포함하고, 상기 제어기는 엔진의 운전 영역에 따라 상기 제1 점화 코일과 상기 제2 점화 코일을 통한 다단 점화(multi-ignition), 또는 상기 제1 점화 코일 또는 상기 제2 점화 코일 중 어느 하나의 점화 코일을 통한 단일 점화를 선택적으로 수행할 수 있다.

Description

점화 코일 제어 시스템 {SYSTEM OF CONTROLLING IGNITION COIL}
본 발명은 점화 코일 제어 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 엔진의 운전 영역에 따라 점화 코일의 1차측 코일에 공급되는 전류를 조절하는 점화 코일 제어 시스템에 관한 것이다.
가솔린 차량은 공기와 연료가 혼합된 혼합기가 스파크 플러그에서 발생하는 불꽃에 의해 점화되어 연소가 이루어진다. 즉, 압축 행정시에 실린더 내부로 분사된 혼합기는 스파크 플러그의 방전 현상에 의해 점화되고, 고온 고압의 팽창 과정을 거치면서 차량의 주행에 필요한 에너지가 발생한다.
가솔린 차량에 구비되는 스파크 플러그는 점화 코일(ignition coil)에서 발생한 고전압의 전류에 의한 불꽃 방전에 의해 압축된 혼합기를 점화시키는 역할을 수행한다.
종래의 스파크 플러그는 1차측 코일에 인가되는 전류가 전자기 유도 현상에 의해 2차측 코일에서 고전압의 전류(또는, 방전 전류)가 발생하면서, 중심 전극과 접지 전극 사이에 불꽃 방전이 발생한다.
그러나 엔진의 운전 영역에 따라 실린더 내부에서의 아크 저항(arc resistance)이 변화하고, 이로 인해, 2차측 코일에서 발생하는 방전 전류가 달라지는 문제가 발생한다.
예를 들어, 엔진의 운전 영역이 고속 고부하 영역에서는 스파크 플러그 주변의 유동이 강해지고, 이로 인해, 스파크 플러그 주변의 아크 저항이 증가한다. 따라서, 점화 코일의 2차측 코일에서 발생하는 방전 에너지가 상대적으로 감소하게 된다.
반면, 엔진의 운전 영역이 저속 저부하 영역에서는 스파크 플러그 주변의 유동이 상대적으로 약해지고, 이로 인해, 스파크 플러그 주변의 아크 저항이 감소한다. 따라서, 점화 코일의 2차측 코일에서 발생하는 방전 에너지가 상대적으로 증가하게 된다.
즉, 실린더 내부의 압력과 유동 상태에 따라 스파크 플러그에 의한 방전 에너지가 달라지는 문제가 발생하였다.
이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 엔진의 운전 영역에 따른 스파크 플러그의 방전 에너지를 조절할 수 있는 점화 코일 제어 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 점화 코일 제어 시스템은 제1 점화 코일; 제2 점화 코일; 상기 제1 점화 코일 및 상기 제2 점화 코일에서 발생한 방전 전류에 의해 불꽃 방전을 발생시키는 한 쌍의 전극을 포함하는 스파크 플러그; 배터리로부터 상기 제1 점화 코일의 1차측 코일과 상기 제2 점화 코일의 1차측 코일로 공급되는 직류 전류의 크기를 변환하는 직류 변환기; 펄스 신호를 기초로 상기 제1 점화 코일 및 상기 제2 점화 코일의 방전 전류의 크기와 듀레이션을 조절하여 상기 전극의 불꽃 방전을 제어하는 제어기를 포함하고, 상기 제어기는 엔진의 운전 영역에 따라 상기 제1 점화 코일과 상기 제2 점화 코일을 통한 다단 점화(multi-ignition), 또는 상기 제1 점화 코일 또는 상기 제2 점화 코일 중 어느 하나의 점화 코일을 통한 단일 점화를 선택적으로 수행할 수 있다.
상기 제어기는 엔진의 운전 영역이 EGR 가스를 사용하거나, 또는 희박 연소 운전을 수행하는 제1 영역에서 다단 점화를 수행하고, 상기 제1 영역을 제외한 제2 영역에서 단일 점화를 수행할 수 있다.
상기 제어기는 상기 제1 영역내에서 엔진 속도와 엔진 부하가 증가할수록 상기 직류 변환기를 통해 상기 배터리에서 상기 제1 점화 코일의 1차측 코일과 상기 제2 점화 코일의 1차측 코일로 공급되는 직류 전류의 크기를 증가시킬 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 점화 코일 제어 시스템은 1차측 코일과 2차측 코일을 포함하는 제1 점화 코일; 상기 제1 점화 코일의 1차측 코일을 선택적으로 통전시키는 제1 스위치; 1차측 코일과 2차측 코일을 포함하는 제2 점화 코일; 상기 제2 점화 코일의 1차 코일을 선택적으로 통전시키는 제2 스위치; 상기 제1 점화 코일 및 상기 제2 점화 코일에서 발생한 방전 전류, 또는 상기 제1 점화 코일 및 상기 제2 점화 코일 중 어느 하나의 점화 코일에 의해 불꽃 방전을 발생시키는 중심 전극과 접지 전극을 포함하는 스파크 플러그; 및 펄스 신호를 기초로 상기 제1 스위치와 상기 제2 스위치를 온 또는 오프시켜 상기 제1 점화 코일 및 상기 제2 점화 코일의 방전 전류의 크기와 듀레이션을 조절하여 상기 중심 전극과 상기 접지 전극 사이에서 발생하는 불꽃 방전을 제어하고, 엔진의 운전 영역에 따라 상기 제1 점화 코일과 상기 제2 점화 코일을 통한 다단 점화(multi-ignition), 또는 상기 제1 점화 코일 또는 상기 제2 점화 코일 중 어느 하나의 점화 코일을 통한 단일 점화를 선택적으로 수행하는 제어기를 포함할 수 있다.
상기 엔진의 운전 영역은 EGR 가스를 사용하거나, 또는 희박 연소를 수행하는 제1 영역, 및 상기 제1 영역을 제외한 제2 영역을 포함할 수 있다.
상기 제어기는 상기 제1 영역에서 다단 점화를 수행하고, 상기 제2 영역에서 단일 점화를 수행할 수 있다.
상기 제어기는 상기 제1 영역내에서 엔진 속도와 엔진 부하가 증가할수록 상기 직류 변환기를 통해 상기 배터리에서 상기 제1 점화 코일의 1차측 코일과 상기 제2 점화 코일의 1차측 코일로 공급되는 직류 전류의 크기를 증가시킬 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 실시 예에 따른 점화 코일 제어 시스템에 의하면, 엔진의 운전 영역에 따라 다단 점화 또는 단일 점화를 선택적으로 수행함으로써 실린더 내부로 유입된 혼합기의 착화성을 확보할 수 있고, 불필요한 전력 소모를 방지할 수 있다.
또한, 희박 연소 또는 EGR 가스를 사용하는 운전 영역에서, 엔진 속도와 엔진 부하가 증가할수록 점화 코일의 1차측 코일에 공급되는 전류의 크기를 증가시킴으로써, 고속 고부하 영역에서 실린더 내부의 빠른 유동과 압력에 의해 점화 에너지가 감소하는 것을 방지할 수 있다.
이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 엔진 시스템의 구성을 도시한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 스파크 플러그가 장착된 엔진의 구성을 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 점화 코일 제어 시스템의 구성을 도시한 도면이다.
도 4 내지 도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 점화 코일 제어 방법을 도시한 순서도이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 본 발명의 실시 예에 따른 제1 영역에서의 점화 코일의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 9은 본 발명의 실시 예에 따른 운전 영역을 도시한 그래프이다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 제1 영역에서 1차측 코일에 공급되는 전류 크기와 점화 에너지의 관계를 도시한 그래프이다.
도 11은 종래 기술에 의한 제1 영역에서 1차측 코일에 공급되는 전류 크기와 점화 에너지의 관계를 도시한 그래프이다.
도 12은 본 발명의 실시 예에 따른 본 발명의 실시 예에 따른 제2 영역에서의 점화 코일의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.
먼저, 본 발명의 실시 예에 따른 점화 코일 제어 시스템이 적용되는 엔진 시스템에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 엔진 시스템의 구성을 도시한 개념도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 엔진 시스템은 연료의 연소에 의해 차량의 주행에 필요한 구동력을 발생시키는 복수의 실린더(121)를 포함하는 엔진(120), 실린더(121)로 공급되는 신기(또는, 외기)가 흐르는 흡기 라인(110), 실린더(121)에서 배출되는 배기 가스가 흐르는 배기 라인(130), 실린더(121)로 공급되는 신기와 재순환되는 배기 가스(이하, "재순환 가스"라 한다)를 압축하는 터보차저(170), 및 실린더(121)에서 배출되는 배기 가스를 실린더로 재순환시키는 배기가스 재순환 장치(150)(EGR: exhaust gas recirculation apparatus)를 포함할 수 있다.
배기 라인(130)에는 실린더(121)에서 배출되는 배기 가스에 포함된 각종 물질을 정화시키는 촉매 컨버터(160)가 구비된다. 촉매 컨버터(160)는 질소 산화물을 정화하기 위한 LNT(lean NOx trap), 디젤 산화 촉매(diesel oxidation catalyst) 및 디젤 매연 필터(diesel particulate filter)를 포함할 수 있다.
터보차저(150)는 배기 라인(130)에 구비되고 실린더(121)에서 배출되는 배기 가스에 의해 회전하는 터빈(171), 및 흡기 라인(120)에 구비되고 터빈(171)과 연동하여 회전하면서 신기와 재순환 가스를 압축하는 컴프레서(172)를 포함할 수 있다.
배기 가스 재순환 장치(150)는 배기 라인(130)에서 분기하여 흡기 라인(120)으로 합류하는 EGR 라인(152), EGR 라인(152)에 설치되는 EGR 쿨러(156), 및 EGR 라인(152)에 설치되는 EGR 밸브(151)를 포함할 수 있다. EGR 쿨러(156)는 EGR 라인(152)을 통해 재순환되는 고온의 배기 가스를 냉각시킨다. EGR 밸브(154)의 개도량에 의해 EGR 라인(152)을 통해 재순환되는 재순환 가스량이 조절된다.
컴프레서(172) 하류의 흡기 라인(120)에는 인터쿨러(116)가 설치되고, 터보차저(170)의 컴프레서(172)에 의해 압축된 고온/고압의 혼합기(외기와 재순환 가스)는 인터쿨러(116)에 의해 냉각된다.
엔진의 실린더(121)에는 연료와 공기의 혼합기를 점화시키는 스파크 플러그(1)가 장착된다.
이하에서는 본 발명의 실시 예에 따른 스파크 플러그(1)에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 스파크 플러그가 장착된 엔진의 구성을 도시한 단면도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 스파크 플러그(1)는 엔진의 실린더에 장착되고, 불꽃 방전을 발생시킨다.
스파크 플러그(1)가 적용되는 엔진은 실린더 블록과 실린더 헤드(100)를 포함하고, 실린더 블록과 실린더 헤드(100)가 결합되어, 그 내부에 실린더(101)이 형성된다. 실린더(101)로 유입되는 공기와 연료의 혼합기는 스파크 플러그(1)에서 발생하는 불꽃 방전에 의해 점화된다.
실린더 헤드(100)에는 스파크 플러그(1)가 장착되는 장착홀(110)이 상하 방향으로 길게 형성된다. 장착홀(110)에 장착되는 스파크 플러그(1)의 하부는 실린더(101) 내부로 돌출된다. 스파크 플러그(1)의 하부에는 점화 코일과 전기적으로 연결되는 중심 전극(2)과 접지 전극(3)이 형성되고, 중심 전극(2)과 접지 전극(3) 사이에서 불꽃 방전이 발생한다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 점화 코일 제어 시스템의 구성을 도시한 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 점화 코일 제어 시스템은 엔진의 전체적인 동작을 제어하는 제어기, 제1 점화 코일(10), 및 제2 점화 코일을 포함할 수 있다.
제어기는 일정한 전압을 갖는 제1 펄스 신호, 및 제1 펄스 신호와 지연 시간 후행하는 제2 펄스 신호를 기초로 두 개의 점화 코일(제1 점화 코일 및 제2 점화 코일)의 방전 전류의 크기와 듀레이션을 조절하여 한 쌍의 전극 사이에서 발생하는 불꽃 방전을 제어할 수 있다. 본 발명의 실시 예에서, 제어기는 복수 개로 분산되거나 통합될 수 있다.
제1 점화 코일(10)은 1차측 코일(11)과 2차측 코일(12)을 포함하고, 1차측 코일(11)의 일단은 차량의 배터리(30)와 전기적으로 연결되고, 1차측 코일(11)의 타단은 제1 스위치(15)를 통해 접지된다. 제1 스위치(15)의 온/오프에 따라 제1 점화 코일(10)의 1차측 코일(11)은 선택적으로 통전될 수 있다.
제1 스위치(15)는 에미터 단자(16), 컬렉터 단자(18), 및 베이스 단자(17)를 포함하는 NPN형 트랜지스터 스위치를 통해 구현될 수 있다. 즉, 1차측 코일(11)의 타단은 제1 스위치(15)의 컬렉터 단자(18)와 전기적으로 연결되고, 에미터 단자(16)는 접지되며, 베이스 단자(17)는 제어기(50)와 전기적으로 연결될 수 있다.
2차측 코일(12)의 일단은 중심 전극(2)과 전기적으로 연결되고, 타단은 제1 스위치(15)의 에미터 단자(16)와 전기적으로 연결된다. 2차측 코일(12)과 에미터 단자(16)의 사이에는 다이오드(13)가 설치되어 2차측 코일(12)로부터 에미터 단자(16)로 전류가 흐르는 것이 차단된다.
그리고 2차측 코일(12)과 중심 전극(2)의 사이에는 다이오드(19)가 설치되어 2차측 코일(12)로부터 중심 전극(2)으로만 전류가 흐른다.
제어기(50)가 제1 스위치(15)의 베이스 단자(17)에 제어 신호를 인가하면, 제1 점화 코일(10)의 1차측 코일(11)이 통전되면서 1차측 코일(11)에 전기 에너지가 충전된다. 제어기(50)가 제1 스위치(15)의 베이스 단자(17)에 제어 신호를 인가하지 않으면, 1차측 코일(11)과 2차측 코일(12)의 전자기 유도 현상에 의해 2차측 코일(12)에 고전압의 전류(또는, 방전 전류)가 발생한다. 2차측 코일(12)에 발생한 방전 전류는 중심 전극(2)으로 흐르고, 2차측 코일(12)에서 발생한 방전 전류에 의해 중심 전극(2)과 접지 전극(3) 사이에서 불꽃 방전이 발생하면서, 실린더(101) 내부의 혼합기가 점화된다.
즉, 제어기(50)는 제1 스위치(15)를 온/오프시켜 제1 점화 코일(10)을 충전시키거나 방전시킨다. 제어기(50)가 제1 스위치(15)의 베이스 단자(17)에 제어 신호를 인가하면(또는, 스위치가 온 되면), 1차측 코일(11)이 충전된다(또는, 제1 점화 코일이 충전된다).
그리고 제어기(50)가 제1 스위치(15)의 베이스 단자(17)에 제어 신호를 인가하지 않으면(또는, 제1 스위치가 오프 되면), 1차측 코일(11)과의 전자기 유도 현상에 의해 2차측 코일(12)에 고전압의 전류가 발생하고, 2차측 코일(12)에서 발생한 고전압의 전류에 의해 중심 전극(2)과 접지 전극(3) 사이에 불꽃 방전이 발생한다(또는, 제1 점화 코일이 방전된다).
제1 점화 코일(10)과 마찬가지로, 제2 점화 코일(20)은 1차측 코일(21)과 2차측 코일(22)을 포함하고, 1차측 코일(21)의 일단은 차량의 배터리(30)와 전기적으로 연결되고, 1차측 코일(21)의 타단은 제2 스위치(25)를 통해 접지된다. 제2 스위치(25)의 온/오프에 따라 제2 점화 코일(20)의 1차측 코일(21)은 선택적으로 통전될 수 있다.
제2 스위치(25)는 에미터 단자(26), 컬렉터 단자(28), 및 베이스 단자(27)를 포함하는 NPN형 트랜지스터 스위치를 통해 구현될 수 있다. 즉, 1차측 코일(21)의 타단은 제2 스위치(25)의 컬렉터 단자(28)와 전기적으로 연결되고, 에미터 단자(26)는 접지되며, 베이스 단자(27)는 제어기(50)와 전기적으로 연결될 수 있다.
2차측 코일(22)의 일단은 중심 전극(2)과 전기적으로 연결되고, 타단은 제2 스위치(25)의 에미터 단자(26)와 전기적으로 연결된다. 2차측 코일(22)과 에미터 단자(26)의 사이에는 다이오드(23)가 설치되어 2차측 코일(22)로부터 에미터 단자(26)로 전류가 흐르는 것이 차단된다.
그리고 2차측 코일(22)과 중심 전극(2)의 사이에는 다이오드(23)가 설치되어 2차측 코일(22)로부터 중심 전극(2)으로만 전류가 흐른다.
제어기(50)가 제2 스위치(25)의 베이스 단자(27)에 제어 신호를 인가하면, 제2 점화 코일(20)의 1차측 코일(21)이 통전되면서 1차측 코일(21)에 전기 에너지가 충전된다. 제어기(50)가 제2 스위치(25)의 베이스 단자(27)에 제어 신호를 인가하지 않으면, 1차측 코일(21)과 2차측 코일(22)의 전자기 유도 현상에 의해 2차측 코일(22)에 고전압의 전류(또는, 방전 전류)가 발생한다. 2차측 코일(22)에서 발생한 방전 전류는 중심 전극(2)으로 흐르고, 2차측 코일(22)에서 발생한 방전 전류에 의해 중심 전극(2)과 접지 전극(3) 사이에서 불꽃 방전이 발생하면서, 실린더(101) 내부의 혼합기가 점화된다.
즉, 제어기(50)는 제2 스위치(25)를 온/오프시켜 제2 점화 코일(20)을 충전시키거나 방전시킨다. 제어기(50)가 제2 스위치(25)의 베이스 단자(27)에 제어 신호를 인가하면(또는, 스위치가 온 되면), 1차측 코일(21)이 충전된다(또는, 제2 점화 코일이 충전된다).
그리고 제어기(50)가 제2 스위치(25)의 베이스 단자(27)에 제어 신호를 인가하지 않으면(또는, 스위치가 오프 되면), 1차측 코일(21)과의 전자기 유도 현상에 의해 2차측 코일(22)에 고전압의 전류가 발생하고, 2차측 코일(22)에서 발생한 고전압의 전류에 의해 중심 전극(2)과 접지 전극(3) 사이에 불꽃 방전이 발생한다(또는, 제2 점화 코일이 방전된다).
본 발명의 명세서에서, 제1 스위치(15)를 온 시켜 제1 점화 코일(10)의 1차측 코일을 충전하는 것은 제1 점화 코일(10)을 충전하는 것으로 설명하고, 제1 스위치(15)를 오프 시켜 제1 점화 코일(10)의 2차측 코일로 고전압의 전류가 유도되어 중심 전극(2)과 접지 전극(3) 사이에서 불꽃 방전이 발생하는 것은 제1 점화 코일(10)이 방전되는 것으로 설명하도록 한다.
이와 마찬가지로, 제2 스위치(25)를 온 시켜 제2 점화 코일(20)의 1차측 코일을 충전하는 것은 제2 점화 코일(20)을 충전하는 것으로 설명하고, 제2 스위치(25)를 오프 시켜 제2 점화 코일(20)의 2차측 코일로 고전압의 전류가 유도되어 중심 전극(2)과 접지 전극(3) 사이에서 불꽃 방전이 발생하는 것은 제2 점화 코일(20)이 방전되는 것으로 설명하도록 한다.
한편, 배터리(30)와 제1 점화 코일(10)의 1차측 코일(11)의 사이, 및 배터리(30)와 제2 점화 코일(20)의 1차측 코일(21)의 사이에는 직류 변환기(40)(DC-DC converter)가 설치된다.
배터리(30)에서 공급되는 전압은 직류 변환기(40)를 통해 제1 점화 코일(10)의 1차측 코일(11)과 제2 점화 코일(20)의 1차측 코일(21)로 승압 또는 감압되어 공급된다. 직류 변환기(40)는 제어기(50)의 제어 신호에 의해 동작된다.
본 발명의 실시 예에 따른 점화 코일 제어 시스템은 엔진의 운전 영역을 기초로 두 개의 점화 코일을 통해 스파크 플러그에 불꽃 방전을 발생시키는 다단 점화(multi-ignition), 또는 두 개의 점화 코일(제1 점화 코일 및 제2 점화 코일) 중 어느 하나의 점화 코일을 통해 스파크 플러그(1)에 불꽃 방전을 발생시키는 단일 점화(single ignition)를 선택적으로 수행할 수 있다.
이를 위해, 제어기(50)는 설정된 프로그램에 의하여 작동하는 하나 이상의 프로세서로 구비될 수 있으며, 상기 설정된 프로그램은 본 발명의 실시 예에 따른 점화 코일 제어 방법의 각 단계를 수행하도록 되어 있다.
이하에서는, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시 예에 따른 점화 코일 제어 시스템의 동작에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 3 내지 도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 점화 코일 제어 방법을 도시한 순서도이다.
도 3 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 제어기는 엔진의 운전 영역을 판단하고(S1), 엔진의 운전 영역을 기초로 다단 점화 및 단일 점화를 선택적으로 수행한다(S2, S3).
다단 점화(multi-ignition)은 두 개의 점화 코일(제1 점화 코일 및 제2 점화 코일)을 이용하여 스파크 플러그(1)의 중심 전극(2)과 접지 전극(3) 사이에 불꽃 방전을 발생시키는 것을 의미하고, 단일 점화(single ignition)는 두 개의 점화 코일(제1 점화 코일 및 제2 점화 코일) 중 어느 하나의 점화 코일을 이용하여 스파크 플러그(1)의 중심 전극(2)과 접지 전극(3) 사이에 불꽃 방전을 발생시키는 것을 의미한다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 실시 예에서, 엔진의 운전 영역은 제1 영역과 제2 영역의 두 개의 운전 영역으로 구분될 수 있다.
제1 영역은 배기가스 재순환 장치를 통해 재순환 가스(EGR 가스)를 엔진의 실린더로 공급하거나, 또는 이론 공연비(theoretical air-fuel ratio)보다 희박한 연소를 수행하는 엔진의 운전 영역을 의미할 수 있다. 다르게 표현하면, 제1 영역은 EGR 가스 사용하는 영역이거나, 또는 희박 연소를 수행하는 영역일 수 있다.
제1 영역에서는 연소실 내부로 EGR 가스가 유입되거나, 또는 희박 연소가 수행되기 때문에, 다단 점화를 수행하여 실린더 내의 혼합기(연료+공기)에 충분한 점화 에너지를 공급함으로써, 혼합기의 착화성을 향상시킬 수 있다.
제2 영역은 제1 영역을 제외한 나머지 운전 영역을 의미할 수 있다. 제2 영역에서는 혼합기의 착화성이 문제되지 않기 때문에, 단일 점화를 수행하여 불필요한 전력이 소모되는 것을 방지할 수 있다.
다시 도 3 내지 도 7을 참조하면, 엔진의 운전 영역이 제1 영역이면(S1), 제어기는 두 개의 펄스 신호를 이용하여 두 개의 점화 코일을 충전 및 방전시키는 다단 점화를 수행한다(S2).
도 8을 참조하면, 두 개의 펄스 신호는 일정한 전압(예를 들어, 12V)을 갖고 설정된 주기를 갖는 제1 펄스 신호, 및 제1 펄스 신호와 설정된 지연 시간 후행하는 제2 펄스 신호를 포함한다. 제2 펄스 신호는 제1 펄스 신호와 동일한 전압(예를 들어, 12V)을 갖는다.
여기서, 제1 펄스 신호의 주기(또는, 제1 펄스 신호의 유지 시간)는 제1 점화 코일(10) 및 제2 점화 코일(20)이 완전 충전되는 시간으로 결정될 수 있다.
도 9를 참조하면, 제어기는 제1 영역을 엔진 속도와 엔진 부하에 따라 복수 개(예를 들어, 다섯 개) 영역으로 구분하고, 제1 영역 내에서 엔진의 운전 영역을 판단하고, 제1 영역 내에서의 엔진의 운전 영역을 기초로 제1 점화 코일(10) 1차측 코일(11)과 제2 점화 코일(20)의 1차측 코일(21)로 공급되는 전류의 크기를 결정한다(S10).
이때, 제1 영역에서 엔진 속도와 엔진 부하가 증가할수록, 제어기는 직류 변환기(40)를 통해 배터리에서 제1 점화 코일(10)의 1차측 코일(11)과 제2 점화 코일(20)의 1차측 코일(21)로 공급되는 직류 전류의 크기를 점차적으로 증가시킨다.
즉, 제1 영역에서 엔진 속도와 엔진 부하가 작으면, 제어기는 직류 변환기(40)를 통해 배터리에서 제1 점화 코일(10)의 1차측 코일(11)과 제2 점화 코일(20)의 1차측 코일(21)로 공급되는 직류 전류의 크기를 감소시킨다.
제1 영역에서 엔진 속도와 엔진 부하가 증가하면, 제어기는 직류 변환기(40)를 통해 배터리에서 제1 점화 코일(10)의 1차측 코일(11)과 제2 점화 코일(20)의 1차측 코일(21)로 공급되는 직류 전류의 크기를 증가시킨다.
이때, 제어기는 엔진 속도와 엔진 부하가 증가할수록, 직류 변환기(40)를 통해 배터리에서 제1 점화 코일(10)의 1차측 코일(11)과 제2 점화 코일(20)의 1차측 코일(21)로 공급되는 직류 전류의 크기는 단계적으로 증가할 수 있다.
예를 들면, 엔진 속도와 엔진 부하에 따라 제1 영역은 제1-1 영역에서부터 제1-5 영역으로 구분할 수 있다. 여기서, 제1-1 영역에서 제1-5 영역으로 갈수록 엔진 속도와 엔진 부하는 증가한다.
제어기는 제1-1 영역에서 직류 변환기(40)를 통해 44V의 직류 전류를 제1 점화 코일(10)의 1차측 코일(11)과 제2 점화 코일(20)의 1차측 코일(21)로 공급할 수 있다. 제어기는 제1-2 영역에서 직류 변환기(40)를 통해 46V의 직류 전류를 제1 점화 코일(10)의 1차측 코일(11)과 제2 점화 코일(20)의 1차측 코일(21)로 공급할 수 있다. 제어기는 제1-3 영역에서 직류 변환기(40)를 통해 48V의 직류 전류를 제1 점화 코일(10)의 1차측 코일(11)과 제2 점화 코일(20)의 1차측 코일(21)로 공급할 수 있다. 제어기는 제1-4 영역에서 직류 변환기(40)를 통해 50V의 직류 전류를 제1 점화 코일(10)의 1차측 코일(11)과 제2 점화 코일(20)의 1차측 코일(21)로 공급할 수 있다. 그리고 제어기는 제1-5 영역에서 직류 변환기(40)를 통해 52V의 직류 전류를 제1 점화 코일(10)의 1차측 코일(11)과 제2 점화 코일(20)의 1차측 코일(21)로 공급할 수 있다.
제1 영역에서 엔진 속도와 엔진 부하가 낮을 때는 스파크 플러그(1)의 중심 전극(2)과 접지 전극(3) 주변의 압력과 유동이 상대적으로 작기 때문에, 중심 전극(2)과 접지 전극(3)의 방전 에너지가 상대적으로 느리게 감소한다. 따라서, 제1 영역에서 엔진 속도와 엔진 부하가 낮을 때는(예를 들어, 제1-1 영역), 제1 점화 코일(10)의 1차측 코일(11)과 제2 점화 코일(20)의 1차측 코일(21)에 인가되는 전류를 상대적으로 감소시키면(예를 들어, 44V), 제1 점화 코일(10)의 2차측 코일(12)과 제2 점화 코일(20)의 2차측 코일(22)에서 유도되는 전류의 크기가 상대적으로 감소하고, 스파크 플러그(1)의 중심 전극(2)과 접지 전극(3)의 방전 에너지가 상대적으로 감소한다. 스파크 플러그(1)의 방전 에너지는 점화 코일의 2차측 코일에서 유도되는 전류의 합을 통해 산출된다.
제1 영역에서 엔진 속도와 엔진 부하가 높을 때는 스파크 플러그(1)의 중심 전극(2)과 접지 전극(3) 주변의 압력과 유동이 상대적으로 강하기 때문에, 중심 전극(2)과 접지 전극(3)에서 발생하는 불꽃 방전에 의한 에너지가 상대적으로 빠르게 감소한다. 따라서, 제1 영역에서 엔진 속도와 엔진 부하가 높을 때는(예를 들어, 제1-5 영역), 제1 점화 코일(10)의 1차측 코일(11)과 제2 점화 코일(20)의 1차측 코일(21)에 인가되는 전류를 상대적으로 증가시키면(예를 들어, 52V), 제1 점화 코일(10)의 2차측 코일(12)과 제2 점화 코일(20)의 2차측 코일(22)에서 유도되는 전류의 크기가 상대적으로 증가하고, 스파크 플러그(1)의 중심 전극(2)과 접지 전극(3)에서 발생하는 불꽃 방전의 에너지가 상대적으로 증가한다 (도 10의 점선 참조). 이를 통해, 중심 전극(2)과 접지 전극(3) 주변의 유동이 강하더라도, 혼합기의 충분한 착화성을 확보할 수 있다.
이와 같이, 점화 코일의 1차측 코일에 인가되는 전류의 크기를 조절하여, 2차측 코일에서 유도되는 전류의 크기와 중심 전극(2)과 접지 전극(3)에서 발생하는 점화 에너지의 크기를 일정하게 유지할 수 있다.
즉, 엔진 속도와 엔진 부하에 따라 중심 전극(2)과 접지 전극(3) 주변의 압력과 유동이 변화하더라도, 점화 코일의 1차측 코일에 공급되는 전류의 크기를 조절함으로써, 스파크 플러그(1)의 중심 전극(2)과 접지 전극(3) 사이에서 발생하는 불꽃 방전의 에너지를 일정하게 유지할 수 있고, 이를 통해 고속 고부하 영역에서도 혼합기의 충분한 착화성을 확보할 수 있다.
만약, 제1 영역에서 엔진의 운전 영역에 따라 점화 코일의 1차측 코일에 인가되는 전류의 크기를 변화시키지 않으면, 도 12에 도시된 바와 같이, 실린더 내의 압력과 유동에 의해 2차측 코일에서 유도되는 전류의 크기가 변화되고, 이로 인해 점화 에너지가 운전 영역에 따라 달라지는 문제가 발생한다.
도 12에 도시된 바와 같이, 점화 코일의 1차측 코일이 동일한 상태에서 제1 영역의 저속 저부하 영역에서는, 점화 코일의 2차측 전류에서 유도되는 전류의 크기는 상대적으로 크고, 이로 인해 점화 에너지가 상대적으로 증가한다(도 12의 실선 참조).
반대로, 점화 코일의 1차측 코일이 동일한 상태에서 제1 영역의 고속 고부하 영역에서는, 점화 코일의 2차측 전류에서 유도되는 전류의 크기는 상대적으로 작고, 이로 인해 점화 에너지가 상대적으로 감소한다(도 12의 점선 참조).
따라서, 제1 영역에서 엔진의 운전 영역에 따라 점화 에너지가 달라지는 경우가 발생한다.
제어기는 제1 펄스 신호와 동기하여 제1 점화 코일(10)을 충전한 후 방전한다. 즉, 점화 제어기(50)는 제1 펄스 신호의 온 시점과 동기하여(제1 펄스 신호가 온 되면)(S20) 제1 스위치(15)를 온시켜 제1 점화 코일(10)을 충전한다(S30).
제1 펄스 신호의 온 시점으로부터 설정된 제1 지연 시간이 경과하면(S40), 점화 제어기(50)는 제2 스위치(25)를 온 시켜 제2 점화 코일(20)을 충전한다(S50).
점화 제어기(50)는 제1 펄스 신호의 오프 시점과 동기하여 제1 스위치(15)를 오프시켜 제1 점화 코일(10)을 방전시킨다. 즉, 제1 펄스 신호가 오프되면(S60), 점화 제어기(50)는 제1 스위치(15)를 오프시켜 제1 점화 코일(10)을 방전시킨다(S70).
점화 제어기(50)는 제2 점화 코일(20)의 충전 시점으로부터 제1 펄스 신호의 유지 시간이 경과하면(S80), 제2 스위치(25)를 오프시켜 제2 점화 코일(20)을 방전시킨다(S90).
점화 제어기(50)는 제2 펄스 신호와 동기하여 제1 점화 코일(10)을 충전한 후 방전한다. 즉, 점화 제어기(50)는 제1 펄스 신호가 온 되면(S100), 제1 스위치(15)를 온시켜 제1 점화 코일(10)을 드웰 시간 동안 충전한 후 방전한다(S110). 여기서 드웰 시간은 제1 펄스 신호의 유지 시간보다 짧고, 제2 펄스 신호의 유지 시간보다 짧게 설정될 수 있다.
제1 점화 코일(10)이 방전된 후, 점화 제어기(50)는 제2 점화 코일(20)을 드웰 시간 동안 충전한 후 방전한다(S120).
제2 펄스 신호가 오프되지 않으면(S130), S100 단계와 S110 단계를 반복한다. 즉, 점화 제어기(50)는 제2 펄스 신호가 오프될 때까지, 제1 점화 코일(10) 및 제2 점화 코일(20)의 충전과 방전을 반복한다.
이때, 제1 점화 코일(10)이 최초 방전된 시점 이후, 제1 점화 코일(10)의 충전 구간과 제2 점화 코일(20)의 충전 구간은 중첩되지 않도록, 점화 제어기(50)는 제1 점화 코일(10)의 충전 시기와 방전 시기, 그리고 제2 점화 코일(20)의 충전 시기와 방전 시기를 조절한다. 다르게 표현하면, 제1 점화 코일(10)이 최초 방전된 시점 이후, 제1 점화 코일(10)의 방전 구간과 제2 점화 코일(20)의 방전 구간은 중첩될 수 있다.
이와 같이, 제1 점화 코일(10)의 방전 구간과 제2 점화 코일(20)의 방전 구간이 중첩되면, 중심 전극(2)과 접지 전극(3) 사이에서 지속적으로 불꽃 방전이 발생하게 되고, 연소실(101) 내의 혼합기로 점화 에너지가 효율적으로 전달할 수 있다. 따라서, 스파크 플러그(1)의 방전 효율이 향상될 수 있다.
제2 펄스 신호가 오프되면(S130), 점화 제어기(50)는 제1 점화 코일(10) 또는 제2 점화 코일(20)을 방전시킨다(S140). 예를 들어, 제1 점화 코일(10)이 충전되는 동안 제2 펄스 신호가 오프되면, 제2 펄스 신호가 오프되는 시점에 점화 제어기(50)는 제1 점화 코일(10)을 방전시킨다. 또는, 제2 점화 코일(20)이 충전되는 동안 제2 펄스 신호가 오프되면, 제2 펄스 신호가 오프되는 시점에 점화 제어기(50)는 제2 점화 코일(20)을 방전시킨다.
엔진의 운전 영역이 제2 영역이면(S1), 제어기는 하나의 펄스 신호를 이용하여 두 개의 점화 코일 중 어느 하나의 점화 코일(예를 들어, 제1 점화 코일)을 충전 및 방전시키는 단일 점화를 수행한다(S3).
펄스 신호는 일정한 전압(예를 들어, 12V)을 갖고 설정된 주기를 갖는다. 펄스 신호의 주기는 점화 코일이 완전 충전되는 시간으로 결정될 수 있다.
제어기는 펄스 신호와 동기하여 제1 점화 코일(10)을 충전한 후 방전한다. 즉, 제어기는 펄스 신호의 온 시점과 동기하여(펄스 신화 온 되면)(S210) 제1 스위치(15)를 온 시켜 제1 점화 코일(10)을 충전한다(S220).
제어기는 펄스 신호의 오프 시점과 동기하여 제1 스위치(15)를 오프시켜 제1 점화 코일(10)을 방전시킨다. 즉, 제1 펄스 신호가 오프되면(S230), 제어기는 제1 스위치(15)를 오프시켜 제1 점화 코일(10)을 방전시킨다(S240).
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 실시 예에 의한 점화 코일 제어 시스템 및 방법에 의하면, 엔진의 운전 영역에 따라 다단 점화와 단일 점화를 선택적으로 수행함으로써, 실린더 내부로 유입된 혼합기의 착화성을 확보할 수 있고, 불필요한 전력 소모를 방지할 수 있다.
또한, 희박 연소 또는 EGR 가스를 사용하는 운전 영역에서, 엔진 속도와 엔진 부하가 증가할수록 점화 코일의 1차측 코일에 공급되는 전류의 크기를 증가시킴으로써, 고속 고부하 영역에서 실린더 내부의 빠른 유동과 압력에 의해 점화 에너지가 감소하는 것을 방지할 수 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
1: 스파크 플러그
2: 중심 전극
3: 접지 전극
10: 제1 점화 코일
11: 1차측 코일
12: 2차측 코일
13: 다이오드
15: 제1 스위치
16: 에미터 단자
17: 베이스 단자
18: 컬렉터 단자
19: 다이오드
20: 제2 점화 코일
21: 1차측 코일
22: 2차측 코일
23: 다이오드
25: 제2 스위치
26: 에미터 단자
27: 베이스 단자
28: 컬렉터 단자
29: 다이오드
30: 배터리
40: 직류 변환기
50: 제어기
100: 실린더 헤드
101: 연소실
110: 장착홀

Claims (7)

  1. 제1 점화 코일;
    제2 점화 코일;
    상기 제1 점화 코일 및 상기 제2 점화 코일에서 발생한 방전 전류에 의해 불꽃 방전을 발생시키는 한 쌍의 전극을 포함하는 스파크 플러그;
    배터리로부터 상기 제1 점화 코일의 1차측 코일과 상기 제2 점화 코일의 1차측 코일로 공급되는 직류 전류의 크기를 변환하는 직류 변환기;
    펄스 신호를 기초로 상기 제1 점화 코일 및 상기 제2 점화 코일의 방전 전류의 크기와 듀레이션을 조절하여 상기 전극의 불꽃 방전을 제어하는 제어기;
    를 포함하고,
    상기 제어기는
    엔진의 운전 영역에 따라 상기 제1 점화 코일과 상기 제2 점화 코일을 통한 다단 점화(multi-ignition), 또는 상기 제1 점화 코일 또는 상기 제2 점화 코일 중 어느 하나의 점화 코일을 통한 단일 점화를 선택적으로 수행하는 점화 코일 제어 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어기는
    엔진의 운전 영역이 EGR 가스를 사용하거나, 또는 희박 연소 운전을 수행하는 제1 영역에서 다단 점화를 수행하고,
    상기 제1 영역을 제외한 제2 영역에서 단일 점화를 수행하는 점화 코일 제어 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어기는
    상기 제1 영역내에서 엔진 속도와 엔진 부하가 증가할수록 상기 직류 변환기를 통해 상기 배터리에서 상기 제1 점화 코일의 1차측 코일과 상기 제2 점화 코일의 1차측 코일로 공급되는 직류 전류의 크기를 증가시키는 점화 코일 제어 시스템.
  4. 1차측 코일과 2차측 코일을 포함하는 제1 점화 코일;
    상기 제1 점화 코일의 1차측 코일을 선택적으로 통전시키는 제1 스위치;
    1차측 코일과 2차측 코일을 포함하는 제2 점화 코일;
    상기 제2 점화 코일의 1차 코일을 선택적으로 통전시키는 제2 스위치;
    상기 제1 점화 코일 및 상기 제2 점화 코일에서 발생한 방전 전류, 또는 상기 제1 점화 코일 및 상기 제2 점화 코일 중 어느 하나의 점화 코일에 의해 불꽃 방전을 발생시키는 중심 전극과 접지 전극을 포함하는 스파크 플러그; 및
    펄스 신호를 기초로 상기 제1 스위치와 상기 제2 스위치를 온 또는 오프시켜 상기 제1 점화 코일 및 상기 제2 점화 코일의 방전 전류의 크기와 듀레이션을 조절하여 상기 중심 전극과 상기 접지 전극 사이에서 발생하는 불꽃 방전을 제어하고, 엔진의 운전 영역에 따라 상기 제1 점화 코일과 상기 제2 점화 코일을 통한 다단 점화(multi-ignition), 또는 상기 제1 점화 코일 또는 상기 제2 점화 코일 중 어느 하나의 점화 코일을 통한 단일 점화를 선택적으로 수행하는 제어기;
    를 포함하는 점화 코일 제어 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 엔진의 운전 영역은 EGR 가스를 사용하거나, 또는 희박 연소를 수행하는 제1 영역, 및
    상기 제1 영역을 제외한 제2 영역을 포함하는 점화 코일 제어 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어기는
    상기 제1 영역에서 다단 점화를 수행하고,
    상기 제2 영역에서 단일 점화를 수행하는 점화 코일 제어 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어기는
    상기 제1 영역내에서 엔진 속도와 엔진 부하가 증가할수록 상기 직류 변환기를 통해 상기 배터리에서 상기 제1 점화 코일의 1차측 코일과 상기 제2 점화 코일의 1차측 코일로 공급되는 직류 전류의 크기를 증가시키는 점화 코일 제어 시스템.

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